Разработка многоканального генератора импульсных сигналов (амплитуда импульсов аналогового канала - 14*0.4В, длительность - 2*10 мкс)

САУН необходима для установки триггера в исходное состояние при включении питания.

t_{уст.пит.} = (5÷10) мс

t_{уст. пит.max} =10 мс

t_{уст. пит. min}= 5 мс

Принимаем R₃ = 1 кОм.

Отсюда

Приводя к ряду Е24, получим С₂ = 62 мкФ.

Тогда t_зад = 10,81 мс

1.3.3.Расчет генератора

Генератор вырабатывает меандр длительностью 200 мкс.

t_и = t_п = 100 мкс

Е_см = Е_п

У К155ЛН5 к_раз = 25. Для него:

R¹_вых = 260 Ом

R⁰_вых = 10 Ом

R¹_вх = 50 кОм

25,714 Ом R128,571 кОм

Выбираем R = 20 кОм  R₄ = R₅ = R = 20 кОм

Отсюда

Приводя к ряду Е24, получим C = 15 нФ.

C = С₃ = 15 нФ.

Частота кварца ZQ обратна периоду меандра, т.е.

f_кварца = 1/Т = 1/200 мкс = 5 кГц

t_восст = C·R¹_вых ln 19 = 11,48 мкс < t_и = 100 мкс.

1.3.4. Расчет заданных импульсов

·  Расчет ФКИ1:

ФКИ1 реализуется на элементе-сборщике ЛИ1. Импульс формируется на разряде. Принимаем R₈ = 910 Ом.

t_{п вх} = 100 мкс

t_{и вых} = 30 мкс

а = t_{п вх}/ t_{и вых} = 3,33

Приводим к ряду Е24: С₄ = 24 нФ.

ЛН5: I⁰_{вых max инв} = 40 мА.

Берем ЛН5 без диода. Рассчитаем диапазон допустимых значений для R₇:

144,9 Ом ≤ R₇ ≤ 400,27 Ом

t_восст = С₄·( R₇ + R₈)·ln 19

I⁰_{вых инв} = Еп/( R₇ | | R₈)

Из таблицы выбираем номинал R₇, при котором величина I⁰_{вых инв} будет минимальной, т.е.

R₇ = 390 Ом

t_восст = 91,8665 мкс < t_{п вх} = 100 мкс

t_{и вых min} = 15,302 мкс

t_{и вых max} = 49,718 мкс

·  Расчет ФКИ2:

ФКИ2 реализуется на элементе-сборщике ЛИ1. Импульс формируется на разряде. Принимаем R₁₀ = 910 Ом.

t_{п вх} = 100 мкс

t_{и вых} = 20 мкс

а = t_{п вх}/ t_{и вых} = 5

Приводим к ряду Е24: С₅ = 16 нФ.

ЛН5: I⁰_{вых max инв} = 40 мА.

Берем ЛН5 без диода. Рассчитаем диапазон допустимых значений для R₉:

144,9 Ом ≤ R₉ ≤ 1055,6 Ом

t_восст = С₅·( R₉ + R₁₀)·ln 19

I⁰_{вых инв} = Еп/( R₉ | | R₁₀)

Из таблицы выбираем номинал R₉, при котором величина I⁰_{вых инв} будет минимальной, т.е.

R₉ = 1 кОм

t_восст = 89,9821 мкс < t_{п вх} = 100 мкс

t_{и вых min} = 10,201 мкс

t_{и вых max} = 33,145 мкс

·  Расчет СЗ1:

СЗ1 реализуется на элементе-сборщике ЛЕ5. Импульс формируется на разряде. Принимаем R₁₂ = 910 Ом.

t_{п вх} = 100 мкс

t_{зад вых} = 60 мкс

а = t_{п вх}/ t_{зад вых} = 1,67

Приводим к ряду Е24: С₆ = 51 нФ.

ЛН5: I⁰_{вых max инв} = 38,4 мА.

Берем ЛН5 с диодом. Рассчитаем диапазон допустимых значений для R₁₁:

151,95 Ом ≤ R₉ ≤ 656,5 Ом

t_восст = С₆·R₁₁·ln 19

I⁰_{вых инв} = Еп/( R₁₁ | | R₁₂)

Из таблицы выбираем номинал R₁₁, при котором величина I⁰_{вых инв} будет минимальной, т.е.

R₁₁ = 620 Ом

t_восст = 93,103 мкс < t_{п вх} = 100 мкс

Для этой СЗ используем переменный резистор.

·  Расчет ФКИ3:

ФКИ3 реализуется на элементе-сборщике ЛИ1. Импульс формируется на разряде. Принимаем R₁₄ = 910 Ом.

t_{п вх} = 160 мкс

t_{и вых} = 30 мкс

а = t_{п вх}/ t_{и вых} = 5,33

Приводим к ряду Е24: С₇ = 24 нФ.

ЛН5: I⁰_{вых max инв} = 40 мА.

Берем ЛН5 без диода. Рассчитаем диапазон допустимых значений для R₁₃:

144,9 Ом ≤ R₁₃ ≤ 1185,33 Ом

t_восст = С₇·( R₁₃ + R₁₄)·ln 19

I⁰_{вых инв} = Еп/( R₁₃ | | R₁₄)

Из таблицы выбираем номинал R₁₃, при котором величина I⁰_{вых инв} будет минимальной, т.е.

R₁₃ = 1,1 кОм

t_восст = 142,0397 мкс < t_{п вх} = 160 мкс

t_{и вых min} = 15,302 мкс

t_{и вых max} = 49,718 мкс

·  Расчет ФКИ4:

ФКИ4 реализуется на элементе-сборщике ЛИ1. Импульс формируется на разряде. Принимаем R₁₆ = 910 Ом.

t_{п вх} = 160 мкс

t_{и вых} = 20 мкс

а = t_{п вх}/ t_{и вых} = 8

Приводим к ряду Е24: С₈ = 16 нФ.

ЛН5: I⁰_{вых max инв} = 40 мА.

Берем ЛН5 без диода. Рассчитаем диапазон допустимых значений для R₁₅:

144,9 Ом ≤ R₁₅ ≤ 2234,96 Ом

t_восст = С₈·( R₁₅ + R₁₆)·ln 19

I⁰_{вых инв} = Еп/( R₁₅ | | R₁₆)

Из таблицы выбираем номинал R₁₅, при котором величина I⁰_{вых инв} будет минимальной, т.е.

R₁₅ = 2,2 кОм

t_восст = 146,5153 мкс < t_{п вх} = 160 мкс

t_{и вых min} = 10,201 мкс

t_{и вых max} = 33,145 мкс

·  Расчет СЗ2:

СЗ2 реализуется на элементе-сборщике ЛИ1. Импульс формируется на заряде. Принимаем R₁₇ = 1,5 кОм.

t_{п вх} = 30 мкс

t_{зад вых} = 10 мкс

а = t_{зад вых} / t_{п вх} = 0,33

ЛН5: I⁰_{вых max инв} = 38,4 мА.

Берем ЛН5 без диода. Рассчитаем диапазон допустимых значений для R₁₈:

142,59 Ом ≤ R₁₈ ≤ 767,85 Ом

t_восст = С₉·R₁₈·ln 19

t_{и вых} = t_{и вх} – t_зад = 170 – 10 = 160 мкс

Из таблицы выбираем номинал R₁₈, при котором t_{и вых рас} = t_{и вх} – t_зад  будет иметь  минимальное отклонение от заданного значения t_{и вых} , т.е.

R₁₈= 200 Ом.

t_восст = 10,6 мкс < t_{п вх} = 30 мкс

I⁰_{вых инв} = Е_п /(R1||R2)  I⁰_{вых max инв}

I⁰_{вых инв} = 28,33 мА < 38,4 мА

t_{зад min} = 4,098 мкс

t_{зад max} = 20,236 мкс

·  Расчет ФКИ5:

ФКИ5 реализуется на элементе-сборщике ЛИ1. Импульс формируется на разряде. Принимаем R₂₀ = 910 Ом.

t_{п вх} = 40 мкс

t_{и вых} = 40 мкс

а = t_{п вх}/ t_{и вых} = 1

Приводим к ряду Е24: С₁₀ = 33 нФ.

ЛН5: I⁰_{вых max инв} = 40 мА.

Берем ЛН5 с диодом. Рассчитаем диапазон допустимых значений для R₁₉:

144,9 Ом ≤ R₁₉ ≤ 393,12 Ом

t_восст = С₁₀· R₁₉·ln 19

I⁰_{вых инв} = Еп/( R₁₉ | | R₂₀)

Из таблицы выбираем номинал R₁₉, при котором величина I⁰_{вых инв} будет минимальной, т.е.

R₁₉ = 390 Ом

t_восст = 37,8949 мкс < t_{п вх} = 40 мкс

t_{и вых min} = 21,04 мкс

t_{и вых max} = 68,362 мкс

1.3.5. Расчет ОУ

2,4 (а₁ + а₂) + 0,4 (а₃ + а₄ + а₅) + 5а_к = 5,6                а₁ = -2,6

2,4 а₁ + 0,4 (а₂ + а₃ + а₄ + а₅) + 5а_к = -5,2                 а₂ = 5,4

2,4 (а₃ + а₄) + 0,4 (а₁ + а₂ + а₅) + 5а_к = 4,8           а₃ = 3,2

2,4 а₃ + 0,4 (а₁ + а₂ + а₄ + а₅) + 5а_к = 6,4                  а₄ = -0,8

2,4 а₅ + 0,4 (а₁ + а₂ + а₃ + а₄) + 5а_к = 5,2                  а₅ = 2,6

0,4 (а₁ + а₂ + а₃ + а₄ + а₅) + 5а_к = 0                           а_к = -0,624

Рассчитаем балансировочный коэффициент:

а_R = (|а₁| + |а₄| + |а_к| + 1) – (а₂ + а₃ + а₅) = -6,176  R_I = const, R_N = ∞

а_max = |а_R| = 6,176  R_I = R_min = 10 кОм

R_ос = | а_max |· R_min = 61,76 кОм  R_ос(Е24) = 62 кОм

Рассчитаем резисторы обрамления по формуле:

R_i = R_ос(Е24)/ |а_i|

R₁ = R₂₂ = 62/2,6 = 23,8 кОм  R₂₂(Е24) = 24 кОм

R₂ = R₂₃ = 62/5,4 = 11,48 кОм  R₂₃(Е24) = 11 кОм

R₃ = R₂₄ = 62/3,2 = 19,4 кОм  R₂₄(Е24) = 20 кОм

R₄ = R₂₅ = 62/0,8 = 77,5 кОм  R₂₅(Е24) = 75 кОм

R₅ = R₂₆ = 62/2,6 = 23,8 кОм  R₂₆(Е24) = 24 кОм

R_к  = 62/0,624 = 99,4 кОм  R_к(Е24) = 100 кОм

Рассчитаем погрешность небаланса:

R^-_∑ = R₂₂|| R₂₅|| R_к|| R_I|| R_ос = 24||75||100||10||62 = 5,5209 кОм

R⁺_∑ = R₂₃|| R₂₄|| R₂₆ = 11||20||24 = 5,4772 кОм

δ,% = (R_max - R_min)/ R_min · 100%

δ,% = (5,5209 – 5,4772)/ 5,4772 · 100% = 0,7979% < 10%

1.3.6. Цифровой канал

Для цифрового канала нам надо реализовать функцию x₁ + x₃ + x₅. По правилу де Моргана в общем виде:

Поэтому сигналы 1 и 3, проходя через инверторы DD6.3, DD6.4, собираются на элементе DD5.4 (“И”), с выхода которого попадают на элемент DD1.4 (“И-НЕ”), где соединяются с сигналом 5, инвертированным элементом DD6.5.

·  КМОПТЛ – канал

Для формирования КМОПТЛ - канала используется К155ЛН5.

К_{р max} = 25; I⁰_{вх инв} = 1,6 мА; К_{р факт} = 100; Е_п = +10 В;U⁰_вх ≤ 1,5 В;

U¹_вх ≥ 8,5 В; U¹_вых ≈ 8,5 В; I⁰_вх ≤ 0,2 мкА; I¹_вх ≥ 0,5мкА.

250,125 Ом ≤ R₂₇ ≤ 30 кОм

Выбираем R₂₇ = 15 кОм.

1.4. Анализ нестабильности временной диаграммы

ФКИ 1:  t_{и вых min}=15,302 мкс

               t_{и вых max}= 49,718 мкс

ФКИ 2:  t_{и вых min}=10,201 мкс

               t_{и вых max}=33,145 мкс

ФКИ 3:  t_{и вых min}=15,302 мкс

               t_{и вых max}=49,718 мкс

ФКИ 4:  t_{и вых min}=10,201 мкс

               t_{и вых max}=33,145 мкс

CЗ 2:      t_{зад min}=4,098 мкс

               t_{зад max}=20,236 мкс

ФКИ 5:  t_{и вых min}=21,04 мкс

               t_{и вых max}=68,362 мкс

В СЗ1 используется переменный резистор, поэтому она в расчете нестабильности не участвует.

Длительность информационной части:

·  При “расширении”: t = 198,316 мкс < 199 мкс

·  При “сжатии”: t = 100,44 мкс < 199 мкс

Таким образом, соблюдаются требования к нестабильности:

 - при “расширении” длительность информационной части не более 199 мкс;

 - при “сжатии” длительности импульсов не менее 1 мкс.

2. Проект МГИС на ИМС высокой степени интеграции

2.1. Разработка принципиальной схемы 2-го варианта.

Необходимо сформировать следующую последовательность импульсов:

В исходном состоянии схемы RS-триггер, собранный на элементах DD1.1, DD1.2, находится в нулевом состоянии, т.к. при включении питания с САУН, собранной на элементах VD2, R₃, С₂, на вход триггера через DD4.1 подается сигнал, устанавливающий его в нулевое состояние. При этом логическая “1” с инверсного выхода триггера поступает на вход сброса R счетчика и устанавливает его в нулевое состояние. При нажатии на кнопку “Пуск” SB1 формируется короткий нулевой импульс, на прямом выходе триггера появляется “1”, которая запускает генератор, а на инверсном – “0”, который разрешает работу счетчика. Кварцевый генератор, собранный на элементах DD1.3 и DD1.4, формирует меандр длительностью 20 мкс.

Четырехразрядный счетчик DD2 каждые 20 мкс формирует двоично-десятичный код, который используется в качестве адреса на входах А₁ – А₄ ППЗУ DD3. На вход А₀ подается прямой выход генератора, который меняет свое состояние каждые 10 мкс. На выходе Y₀ элемента DD3 формируется сигнал высокого или низкого уровня в зависимости от данных, содержащихся в памяти DD3. На выходе Y₁ элемента DD3 появляется высокий уровень сигнала по приходу 9-го такта работы генератора, и, если схема работает в ручном режиме, на вход элемента DD1.2 через DD4.1 поступает сигнал низкого уровня, переводящий триггер в нулевое состояние, что запрещает работу генератора и счетчика.

Выбор режима работы осуществляется тумблером SA1. в автоматическом режиме он подключен к “земле”, на выходе элемента DD4.1 будет присутствовать “1”, которая осуществляет режим хранения “1” на выходе RS-триггера, тем самым, разрешая работу всей схемы неопределенное время.

2.2. Расчет принципиальной схемы 2-го варианта

САУН и ФОИ рассчитаны в 1-ом варианте (п. 1.3.1 и 1.3.2).

2.2.1. Расчет генератора

Генератор формирует меандр длительностью 20 мкс.

t_и = t_п = 10 мкс

Е_см = Е_п

У К155ЛН5 к_раз = 25. Для него:

R¹_вых = 260 Ом

R⁰_вых = 10 Ом

R¹_вх = 50 кОм

25,714 Ом R128,571 кОм

Выбираем R = 20 кОм  R₄ = R₅ = R = 20 кОм

Отсюда

Приводя к ряду Е24, получим C = 1,5 нФ.

C = С₃ = 1,5 нФ.

Частота кварца ZQ обратна периоду меандра, т.е.

f_кварца = 1/Т = 1/20 мкс = 50 кГц

t_восст = C·R¹_вых ln 19 = 1,148 мкс < t_и = 10 мкс.

2.2.2. ППЗУ

Используется ППЗУ 556РТ5 с открытым коллектором. Резисторы на используемых выходах R₉, R₁₀ берутся номиналом 390 Ом.

Матрица прошивки ПЗУ

3. Приложения

Спецификация элементов схемы 1-го варианта

Спецификация элементов схемы 2-го варианта

4. Заключение

Многоканальный генератор импульсных сигналов может использоваться в современных электронных системах. Возможность подключения к генератору, выполненному на элементах малой степени интеграции, устройств с различной логикой (ТТЛ, КМОПТЛ, ЭСЛ), расширяет область его применения. Генератор на элементах высокой степени интеграции являет собой решение формирования импульсных сигналов при малой элементной базе и с возможностью задания большого количества